量子力学

本文作者：HelloDeveloper 嗨，大家好。这里是学术报告专栏，读芯术小编不定期挑选并亲自跑会，为大家奉献科技领域最优秀的学术报告，为同学们记录报告干货，并想方设法搞到一手的PPT和现场视频——足够干货，足够新鲜！话不多说，快快看过来，希望这些优秀的青年学者、专家杰青的学术报告 ，能让您在业余时间的知识阅读更有价值。 人工智能论坛如今浩如烟海，有硬货、有干货的讲座却百里挑一。“AI未来说·青年学术论坛”系列讲座由中国科学院大学主办，百度全力支持，读芯术作为合作自媒体。承办单位为中国科学院大学学生会，协办单位为中国科学院计算所研究生会、网络中心研究生会、人工智能学院学生会、化学工程学院学生会、公共政策与管理学院学生会、微电子学院学生会。“AI未来说·青年学术论坛”第五期“量子计算”专场已于2019年5月18日下午在中科院举行。百度段润尧教授为大家带来报告《量子架构：机遇与挑战》。 段润尧，百度研究院量子计算研究所所长、悉尼科技大学终身教授、澳大利亚研究理事会(ARC)Future Fellow。本科与博士分别于2002和2006年毕业于清华大学计算机系。主要从事量子计算和量子信息技术研究，于2016年与Andreas Winter合作，首次给出图论中著名的Lovásznumber自1979年以来完整的信息论解释。曾获微软学者(2005)，清华大学研究生十大学术新秀

《三体》的读书笔记与读后感3000字： 终于看完刘慈欣的《三体》（《The Three Body Problem》）全集，断断续续也就半个月的时间，却从未有过这样的思维冲击。好像作者把你想到的和想不到的，都写出来了。这是我看过的第一本科幻小说，感觉自己很幸运。 《三体》系列共三本，有人说第一本最好看，看完三本后我觉得他们是一个整体，串联起来才能描述一个无比宏大却又完整的宇宙生态系统。不仅是科学层面的宇宙，还是哲学层面的宇宙。首先在科学层面，各种客观存在的的宇宙运行规律（尤其是量子层面的）被作者以非常惊人的故事构造呈现出来，实在是佩服；还有一些哲学层面的东西，比如宇宙社会学，猜疑链，黑暗森林法则，这些似乎由人类社会中总结出来的规律，在大宇宙中同样适用——毕竟，无论对于地球上的人类还是宇宙中的生灵，生存是都是第一要义，而在有限的资源面前，要想更久生存，必须消灭竞争资源的异类。 因为之前刚刚看了一本书叫《神秘的量子生命》，对于量子力学方面的认知也有了一些，然后惊奇的发现《三体》这本科幻小说中直接提到的，或间接影射的量子力学知识，竟比作为科普读物的前者涵盖的范围要多得多，比如书中提到在文革时期被批判的叶文洁的爸爸，上世纪60年代的天体物理学家，竟因为支持“外部观察导致波函数的塌缩”而被判为唯心主义，从而被戴上“反革命”的高帽子，而这一理论其实是量子力学中很重要的一个规律；另外

一种新的方法可以确定电路是否正确执行了传统计算机无法解决的复杂操作。 为了迈向实用的量子计算，麻省理工学院、谷歌和其他地方的研究人员设计了一种系统， 可以验证量子芯片何时能够准确执行传统计算机无法完成的复杂计算。 量子芯片使用称为“量子位”的量子位执行计算，量子位可以表示对应于经典二进制位的两个状态（0或1）或两个状态的“量子叠加”。独特的叠加状态可以使量子计算机解决经典计算机几乎无法解决的问题，从而可能在材料设计，药物发现和机器学习等方面取得突破。 全面的量子计算机将需要数百万个量子比特，这尚不可行。在过去的几年中，研究人员已开始开发包含大约50至100量子位的“噪声中级量子”（NISQ）芯片。这足以证明“量子优势”，这意味着NISQ芯片可以解决传统计算机难以处理的某些算法。但是，验证芯片是否按预期执行操作会非常低效。该芯片的输出看起来可能是完全随机的，因此需要很长时间来模拟步骤以确定一切是否按计划进行。 在今天发表在《自然物理学》上的一篇论文中，研究人员描述了一种新颖的协议，可以有效地验证NISQ芯片已经执行了所有正确的量子操作。他们在定制量子光子芯片上运行的一个非常困难的量子问题上验证了其协议。 “随着工业和学术界的飞速发展，我们已经超越了能胜过传统机器的量子机器的风口浪尖，量子验证的任务变得至关重要，”电气工程和计算机科学系博士后第一作者雅克·卡洛兰（Jacques

1.量子定义： 一个物理量如果存在最小的不可分割的基本单位，那么称该最小的单位为量子。量子是一个整体概念，它指的是研究对象的最基本单元。它最早是由德国物理学家 M·普朗克在 1900 年提出的。 2.量子密码学： 量子密码学是密码学与量子力学相结合的产物,是基于物理安全的,可以提供绝对的安全性。其安全性是由海森堡测不准原理（不确定性原理）以及单量子不可克隆定理来保证的。具有可证明的安全性，以及窃听者存在的可检测性。 2.1海森堡测不准原理（不确定性原理） 在量子力学里，不确定性原理（Uncertainty principle）表明，粒子的位置与动量不可同时被确定，位置的不确定性与动量的不确定性遵守不等式。 2.2量子不可克隆定理 不可克隆定理(No-Cloning Theorem)是指量子力学中对任意一个未知的量子态进行完全相同的复制的过程是不可实现的，该定理可以通过反证法基于量子态的叠加原理证得。 3.量子密钥分发(Quantum Key Distribution，简称QKD)： QKD是量子密码学中最先实用化的应用。利用量子系统来进行信息的制备、传输、接收以及提纯来得到物理原理上不会被别人窃取的安全对称密钥。其安全性不依赖于攻击者的计算能力。QKD产生的密钥结合一次一密方案（一次一密方案是已被严格证明的绝对安全的传统加密方法）就能保证信息的安全传输

在量子力学中，量子力学认为自然界所有的粒子，如光子、电子或是原子，都能用一个微分方程，如薛定谔方程来描述。这个方程的解即为波函数，它描述了粒子的状态。波函数具有叠加性，它们能够像波一样互相干涉。同时，波函数也被解释为描述粒子出现在特定位置的几率幅。这样，粒子性和波动性就统一在同一个解释中。 一个微观物理体系的状态由波函数完全描述，波函数的任意线性叠加仍然代表体系的一种可能状态。对应于代表该量的算符对其波函数的作用；波函数的模平方代表作为其变量的物理量出现的几率密度。 量子力学是在旧量子了论的基础上发展起来的。 旧量子论包括普朗克的量子假说、爱因斯坦的光量子理论和玻尔的原子理论。 普朗克的辐射量子假说：假定电磁场和物质交换能量是以间断的形式（能量子）实现的，能量子的大小同辐射频率成正比，比例常数称为普朗克常数，从而得出普朗克公式，正确地给出了黑体辐射能量分布。 爱因斯坦引进光量子（光子）的概念，并给出了光子的能量、动量与辐射的频率和波长的关系，成功地解释了光电效应。其后，他又提出固体的振动能量也是量子化的，从而解释了低温下固体比热的问题。 玻尔建立起原子的量子理论：原子中的电子只能在分立的轨道上运动，在轨道上运动时候电子既不吸收能量，也不放出能量。原子具有确定的能量，它所处的这种状态叫“定态”，而且原子只有从一个定态到另一个定态，才能吸收或辐射能量。

谷歌一小步，量子计算…… 当地时间 10 月 23 日，谷歌在《自然》（Nature）上发布论文，再次向外界证明公司团队已经通过实验实现「量子优越性」（Quantum Supremacy，此前习惯称作「量子霸权」）。 之所以说再次，是因为一个月之前，谷歌曾经和 NASA 联合在网上泄露类似的实验成果，声称取得了「量子优越性」。消息曝光，各界反响不一。论文中，谷歌设计了一个实验问题，用其团队的 53 量子计算机破解只需要 200 秒，而用传统计算机则需要一万年——这也是「优越性」之所在。 耐人寻味的是，另一家在量子计算领域投入力度很大的巨头，IBM 在三天前公司曾经发布公开信，驳斥谷歌的论文「带偏舆论」，甚至将「量子霸权」这个用法本身也进行了质疑。谷歌并未回应，直到昨天。 谷歌 CEO 桑达尔·皮查伊 也在当天发布 Bolg，表达对公司量子计算团队取得成绩的欣喜。皮查伊称团队算是实现了量子计算的「hello world」时刻。 10 月 24 日，谷歌量子团队的三位科学家 Yu Chen、Andrew Dunsworth 和 Anthony Megrant 接受了极客公园（id: geekpark）的采访，向媒体解释了其实验的细节，以及其后的发展和应用可能性。 「优越性」何来 Quantum Supremacy，这个词汇来自 John Preskill 教授，指的是在某些任务上

这是量子计算领域的里程碑事件：谷歌在被称为「量子优越性」方向上的重大突破研究，登上了《自然》杂志 150 周年版的封面。 它或许标志着量子计算正在走向实用化：谷歌已经利用一台 54 量子比特的量子计算机实现了传统架构计算机无法完成的任务。在世界第一超算需要计算 1 万年的实验中，量子计算机只用了 3 分 20 秒。 今年 9 月，一篇名为《Quantum supremacy using a programmable superconducting processor》的论文自 NASA 网站上传出，其中研究人员提出了这一主张，虽然论文很快就被删除，但这一消息引起了人们的广泛关注。 「量子优越性」（Quantum supremacy）的实现令人激动（谷歌官方建议此翻译，而非量子霸权），不过也引发了人们对于研究真实性的质疑。所幸同行评审并没有让我们等待很久，在刚刚出版的《自然》杂志 150 周年特刊封面上，我们看到了这篇论文。 论文的发表也意味着谷歌的研究得到了业内人士的认可。谷歌 CEO 桑达尔·皮查伊第一时间发文表示祝贺：「随着我们扩展了计算的可能性，我们也解锁了全新的计算……量子计算容易出错，但我们的实验表明：量子计算机也可以在计算中减少错误，并扩展达到超越经典计算机的程度。」 「对于科学技术领域的研究者来说，这是人们期待已久的一句『Hello World』——迄今为止

在最近提交的一份论文中，研究人员提出了这一主张，它也是迄今为止表明量子计算机超越传统架构计算机，并走向实用化最为强烈的迹象。在未来，我们或许可以使用这种全新工具解决此前无法解决的数学问题。 量子霸权是指量子计算拥有的超越所有传统计算机的计算能力。谷歌的研究人员声称已经实现量子霸权，这意味着最新的量子计算机能力已经达到了目前最为强大的超算也无法企及的程度——它可以在 3 分 20 秒内完成特定任务的运算，而目前世界排名第一的超级计算机、美国能源部橡树岭国家实验室的“Summit”执行同样任务需要大约一万年时间。 “相对于所有已知的经典算法而言，这种惊人的速度证明了计算任务上量子霸权的实现，预示着人们期待已久的计算范式的到来。”研究人员在论文中写到。 谷歌的“Foxtail”量子处理器。 这一消息最先被英国《金融时报》报道，谷歌研究的论文于本周提交至 nasa.gov，但随后被删除。谷歌发言人拒绝证实该论文及其结果的真实性，而 NASA 没有立即回应置评请求。 这一消息立即引来了许多媒体的报道，据美国《财富》杂志援引谷歌消息人士称，论文被撤回是因为其研究还没有经过同行评审彻底讨论之前被 NASA 提前发表了。通常，评审过程需要数周或者数月时间。 如果论文通过审议并顺利发表，它将预示着量子科学进入了一个全新阶段，因为其主要主张打消了一些不可预见的自然法则